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一步一步教你设计开关电源高频变压器

2021-02-19

一步一步教你设计开关电源高频变压器




高频变压器的体积小,能够工作在开关频率较高的电源电路中,是能量传递的重要载体。但在开关电源设计中,变压器的众多参数需要设定、计算,很是繁琐,本文一步一步总结了开关电源设计中高频变压器的设计步骤,并给出各参数的意义及计算方法。

 

步骤1 

确定开关电源的基本参数

① 交流输入电压小值umin

② 交流输入电压大值umax

③ 电网频率Fl  开关频率f

④ 输出电压VO(V):已知

⑤ 输出功率PO(W):已知

⑥ 电源效率η:一般取80%

⑦ 损耗分配系数Z:Z表示次级损耗与总损耗的比值,Z=0表示全部损耗发生在初级,Z=1表示发生在次级。一般取Z=0.5

步骤2 

根据输出要求,选择反馈电路的类型以及反馈电压VFB

步骤3 

根据u,PO值确定输入滤波电容CIN、直流输入电压小值VImin

① 令整流桥的响应时间tc=3ms

② 根据u,查处CIN值

③ 得到Vimin


步骤4 

根据u,确定VOR、VB

① 根据u由表查出VOR、VB值

② 由VB值来选择TVS


步骤5

根据Vimin和VOR来确定大占空比Dmax               


① 设定MOSFET的导通电压VDS(ON)

② 应在u=umin时确定Dmax值,Dmax随u升高而减小


步骤6 

确定初级纹波电流IR与初级峰值电流IP的比值KRP,KRP=IR/IP


步骤7

确定初级波形的参数

① 输入电流的平均值IAVG


② 初级峰值电流IP


③ 初级脉动电流IR

④ 初级有效值电流IRMS


步骤8

根据电子数据表和所需IP值 选择TOPSwitch芯片

① 考虑电流热效应会使25℃下定义的极限电流降低10%,所选芯片的极限电流小值ILIMIT(min)应满足:0.9 ILIMIT(min)≥IP


步骤9和10

 计算芯片结温Tj

① 按下式结算:

Tj=[I2RMS×RDS(ON)+1/2×CXT×(VImax+VOR) 2 f ]×Rθ+25℃

式中CXT是漏极电路结点的等效电容,即高频变压器初级绕组分布电容

③  如果Tj>100℃,应选功率较大的芯片


步骤11

 验算IP  IP=0.9ILIMIT(min)

① 输入新的KRP且从小值开始迭代,直到KRP=1

② 检查IP值是否符合要求

③ 迭代KRP=1或IP=0.9ILIMIT(min)


步骤12

 计算高频变压器初级电感量LP,LP单位为μH


步骤13

 选择变压器所使用的磁芯和骨架,查出以下参数:

① 磁芯有效横截面积Sj(cm2),即有效磁通面积。

② 磁芯的有效磁路长度l(cm)

③ 磁芯在不留间隙时与匝数相关的等效电感AL(μH/匝2)

④ 骨架宽带b(mm)

步骤14 

为初级层数d和次级绕组匝数Ns赋值

① 开始时取d=2(在整个迭代中使1≤d≤2)

② 取Ns=1(100V/115V交流输入),或Ns=0.6(220V或宽范围交流输入)

③ Ns=0.6×(VO+VF1)

④ 在使用公式计算时可能需要迭代


 步骤15 

计算初级绕组匝数Np和反馈绕组匝数NF

① 设定输出整流管正向压降VF1

② 设定反馈电路整流管正向压降VF2

③ 计算NP                   



④ 计算NF



步骤16~步骤22 

设定大磁通密度BM、初级绕组电流密度J、磁芯的气隙宽度δ,进行迭代。


① 设置安全边距M,在230V交流输入或宽范围输入时M=3mm,在110V/115V交流输入时M=1.5mm。使用三重绝缘线时M=0


② 大磁通密度BM=0.2~0.3T     


若BM>0.3T,需增加磁芯的横截面积或增加初级匝数NP,使BM在0.2~0.3T范围之内。如BM<0.2T,就应选择尺寸较小的磁芯或减小NP值。


③ 磁芯气隙宽度δ≥0.051mm

δ=40πSJ(NP2/1000LP-1/1000AL)

要求δ≥0.051mm,若小于此值,需增大磁芯尺寸或增加NP值。


④ 初级绕组的电流密度J=(4~10)A/mm2


若J>10A/mm2,应选较粗的导线并配以较大尺寸的磁芯和骨架,使J<10A/mm2。若J<4A/mm2,宜选较细的导线和较小的磁芯骨架,使J>4A/mm2;也可适当增加NP的匝数。


⑤ 确定初级绕组小直径(裸线)DPm(mm)


⑥ 确定初级绕组大外径(带绝缘层)DPM(mm)


⑦ 根据初级层数d、骨架宽带b和安全边距M计算有效骨架宽带be(mm)

                be=d(b-2M)


然后计算初级导线外径(带绝缘层)DPM:DPM=be/NP


步骤23

 确定次级参数ISP、ISRMS、IRI、DSM、DSm

① 次级峰值电流ISP(A)

ISP=IP×(NP/NS)

② 次级有效值电流ISRMS(A)                      


③ 输出滤波电容上的纹波电流IRI(A)       


⑤ 次级导线小直径(裸线)DSm(mm)                  


⑥ 次级导线大外径(带绝缘层)DSM(mm)


步骤24

 确定V(BR)S、V(BR)FB

① 次级整流管大反向峰值电压V(BR)S

V(BR)S=VO+VImax×NS/NP

② 反馈级整流管大反向峰值电压V(BR)FB

V(BR)FB=VFB+ VImax×NF/NP


步骤25 

 选择钳位二极管和阻塞二极管

步骤26

选择输出整流管

步骤27 

利用步骤23得到的IRI,选择输出滤波电容COUT

① 滤波电容COUT在105℃、100KHZ时的纹波电流应≥IRI

② 要选择等效串连电阻r0很低的电解电容

③ 为减少大电流输出时的纹波电流IRI,可将几只滤波电容并联使用,以降低电容的r0值和等效电感L0

④ COUT的容量与大输出电流IOM有关

步骤28~29

 当输出端的纹波电压超过规定值时,应再增加一级LC滤波器

① 滤波电感L=2.2~4.7μH。当IOM<1A时可采用非晶合金磁性材料制成的磁珠;大电流时应选用磁环绕制成的扼流圈。

② 为减小L上的压降,宜选较大的滤波电感或增大线径。通常L=3.3μH

③ 滤波电容C取120μF /35V,要求r0很小

步骤30

选择反馈电路中的整流管

步骤31

选择反馈滤波电容

反馈滤波电容应取0.1μF /50V陶瓷电容器

步骤32 

选择控制端电容及串连电阻

控制端电容一般取47μF /10V,采用普通电解电容即可。与之相串连的电阻可选6.2Ω、1/4W,在不连续模式下可省掉此电阻。


步骤33

选定反馈电路

步骤34

选择输入整流桥

① 整流桥的反向击穿电压VBR≥1.25√2  umax

③ 设输入有效值电流为IRMS,整流桥额定有效值电流为IBR,使IBR≥2IRMS。计算IRMS公式如下:                           


   cosθ为开关电源功率因数,一般为0.5~0.7,可取cosθ=0.5


步骤35 

  

设计完毕

在所有的相关参数中,只有3个参数需要在设计过程中进行检查并核对是否在允许的范围之内。它们是大磁通密度BM(要求BM=0.2T~0.3T)、磁芯的气隙宽度δ(要求δ≥0.051mm)、初级电流密度J(规定J=4~10A/mm2)。这3个参数在设计的每一步都要检查,确保其在允许的范围之内。


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